Устройство для электрохимического обеззараживания природных вод

Устройство для электрохимического обеззараживания природных вод

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технике и технологии обработки природных вод и предназначено для водоподготовки в пищевых, бытовых и промышленных целях.

Известны аналоги предлагаемого устройства, например:

1. Установка для получения воды для инъекций по а.с. №393215, СССР, МПК С 02 В 1/16: В 01 J 1/06, БИ №33/1973 г.

2. Устройство для электрической обработки воды по а.с. №478784, СССР, МПК С 02 В 1/82, БИ №28/1975 г. и др.

Так как установка по а.с. №393215 СССР содержит смонтированные на стойке фильтры очистки обрабатываемой воды от механических загрязнений, микроорганизмов и ионообменной деминерализации, расположенные ярусом, например, по вертикальной оси симметрии и соединены патрубками между смежными фильтрами, содержащие фильтрующие элементы из поролона, сжатого с торцов посредством водонепроницаемых пластин с отверстиями, то общее гидравлическое сопротивление установки чрезвычайно велико даже в начальный период эксплуатации, а с течением времени работы установки вследствие засорения фильтрующих элементов такая установка увеличивает свое общее гидравлическое сопротивление, что снижает ее производительность практически до нуля.

Устройство для электрической обработки воды по а.с. №478784 СССР содержит трубопровод из эластичного материала, на наружных стенках которого выполнены электроды со штоком для регулирования расстояния между ними. Так как между электродами устройства в процессе его работы находятся стенки трубопровода из эластичного материала и слой обрабатываемой воды, то вследствие потерь в таком многослойном диэлектрике величина электрического поля в водной среде не может обеспечить электролиз воды, поэтому микроорганизмы в обрабатываемой воде в таком устройстве не погибают, что снижает качество обработанной по а.с. №478784 воды. Кроме того, сжатый электродами эластичный трубопровод по а.с. №478784 соответственно имеет малое сечение гидропотока, что предопределяет его высокое гидравлическое сопротивление, снижая производительность такого устройства и других аналогичных устройств.

Вместе с тем, известны способы и устройства осуществления электролиза воды путем индуцирования вторичных короткозамкнутых электрических токов в различных жидких средах, например сточных водах, химических электропроводящих растворах и т.п., описанных в литературе, например:

1. Способ и устройство для электрокоагуляции молока по патенту РФ №2211571, МПК⁷ А 23 С 9/00, 9/14, БИ №25/2003 г.

2. Магнитодинамический аппарат для производства гидроксида натрия электрохимическим способом на переменном токе по патенту РФ №2147555, МПК С 01 D 1/04, С 25 В 9/00, БИ №11/2000 г. и др.

Так как устройства и установки (электрокоагуляторы), описанные в указанной литературе, обладают высокими гидравлическими сопротивлениями, низкими коэффициентами мощности по переменному току вследствие высокой индуктивности первичных обмоток, имеют высокие массово-габаритные показатели, то их непосредственное использование для обеззараживания природных вод не позволяет обеспечить высокую производительность.

Способ и устройство по патенту РФ №2211571, МПК⁷ А 23 С 9/00, 9/14, БИ №25/2003 г. заключаются в создании с помощью зигзагообразного пластинчатого индуктора, помещенного внутри емкости, переменного магнитного поля в жидкой среде, индуцирующего в ней вторичные короткозамкнутые электрические токи.

Так как необходимость разделения жидкой среды на твердую и жидкую фазы предопределяет остановку или снижение скорости гидропотока жидкой среды на период индукционной обработки и разделение фаз, то конструктивная особенность прототипа - емкость с входным и выходными патрубками - создает дополнительное гидравлическое сопротивление гидропотоку, снижая общую производительность способа и устройства по прототипу.

Кроме того, выполнение первичной обмотки в виде зигзагообразного пластинчатого индуктора внутри емкости ограничивает объем обрабатываемой жидкой среды, дополнительно снижая производительность способа и устройства по прототипу.

Магнитодинамический электролизер, описанный по патенту РФ №2147555, также не предназначен для обеззараживания природных вод, обладает высоким гидравлическим сопротивлением вследствие возвратно-поступательного движения гидропотока внутри устройства, что ограничивает скорость гидропотока и снижает производительность устройства по патенту РФ №2147555.

Прототипом заявленного изобретения является способ электрохимического обеззараживания природных вод по патенту США №4781805 А, кл. С 02 F 1/16 от 01.11.1988 г., включающий обработку гидропотока по месту и в период потребления обеззараженной воды между электродами, соединенными с источником переменного тока.

Так как по прототипу переменный электрический ток подводится к электродам, между которыми протекает поток обрабатываемой воды, то с учетом высокого электрического сопротивления природных вод для достижения технического результата по прототипу необходимо создание больших токов с помощью высокого напряжения, предопределяя большие массово-габаритные показатели устройства по прототипу, ограничивающие его применение по месту применения обеззараженной воды в бытовых и пищевых целях.

Кроме того, электрохимические реакции на поверхности электродов приводят к неизбежному изменению химического состава природной воды за счет соединений с участием материала электродов, что также не допускает применения прототипа для широкого применения в бытовых и пищевых целях.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является увеличение производительности при обеззараживании природных вод для пищевых, бытовых и промышленных целей непосредственно по месту и в период их использования по назначению.

Для достижения такого технического результата в заявленном изобретении обеззараживание природных вод в потоке обрабатываемой природной воды осуществляется в трубопроводе по месту и в период использования воды по назначению воздействием на микроорганизмы ионами водорода и гидроксидной группы, образующихся в процессе электролиза воды под действием переменного магнитного поля в проточном спиральном пластинчатом индукторе, соединенном с источником переменного тока.

Так как расстояние от первичной обмотки индуктора, по которой пропускается первичный переменный ток, от участков гидропотока обрабатываемой воды исчисляется долями миллиметра, то в обрабатываемой воде индуцируются значительные вторичные короткозамкнутые токи, осуществляя электролиз воды во всем объеме гидропотока через заявленный индуктор, предотвращая реакции с материалом проводника.

Так как ионы водорода и гидроксидной группы обладают высокой химической активностью, то они являются агрессивными реагентами для всех органических веществ, в том числе и для содержащихся в обрабатываемой природной воде микроорганизмов.

Отличием предлагаемого устройства от устройства по прототипу является конструкция индуктора в виде спиральных витков вокруг оси по средней линии в плоскости пластинчатого проводника, концы которого присоединены к источнику переменного тока. Так как заявленная конструкция индуктора позволяет устанавливать его непосредственно в трубопроводе по месту и в период использования обеззараженной природной воды по назначению, то указанный отличительный конструктивный признак позволяет сделать вывод о соответствии заявленного устройства критерию "новизна".

Анализ патентной и научно-технической информации не выявил источников, содержащих сведения об известности указанных отличительных признаков заявленного устройства обеззараживания природных вод, что свидетельствует о соответствии заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемое устройство для электрохимического обеззараживания природных вод работает следующим образом: воду из природных источников (озер, рек, водохранилищ и т.п.) с помощью типовых водозаборных установок по трубопроводной магистрали подают под заданным напором к месту потребления, где в оконечной части трубопровода установлен индуктор в виде обмотки из спиральных витков вокруг оси по средней линии в плоскости пластинчатого проводника, концы которого соединены с источником переменного тока.

При открывании запорно-регулирующей аппаратуры по месту потребления обеззараженной воды по назначению образуется гидропоток между спиральными пластинчатыми витками индуктора, где первичный ток индуктора создает переменное магнитное поле, которое индуцирует в водной среде между спиральными витками пластинчатого проводника вторичные короткозамкнутые электрические токи. Так как вторичные электрические токи в водной среде осуществляют электролиз воды, разлагая ее молекулы на ионы водорода и гидроксидной группы, то весь объем гидропотока внутри индуктора насыщается ионами водорода и гидроксидной группы. Так как ионы водорода и гидроксидной группы являются агрессивными реагентами для всех органических веществ, то все микроорганизмы, содержавшиеся в природной воде до поступления в индуктор, погибают, обеспечивая выход из запорно-регулирующей аппаратуры по месту потребления обеззараженной воды в течение всего периода электропитания индуктора, что и является достижением заявленного технического результата, который невозможно достичь ни указанными и другими аналогичными способами, ни способом по прототипу.

Таким образом, технический результат по заявленному способу достигается тем, что условия и необходимые компоненты для обеззараживания природной воды создаются непосредственно при осуществлении способа, по месту и в период потребления обеззараженной воды по назначению с любой заданной производительностью.

Для осуществления предлагаемого способа электрохимического обеззараживания природных вод предлагается устройство электрохимического обеззараживания природных вод.

Устройство поясняется чертежами, где представлены:

Фиг.1 Устройство электрохимического обеззараживания природных вод.

Общий вид сбоку.

Фиг.2 Устройство электрохимического обеззараживания природных вод.

Вертикальный разрез диаметральной плоскостью

Индуктор внутри устройства не разрезан.

Фиг.3 Устройство электрохимического обеззараживания природных вод.

Поперечный разрез по А-А на фиг.1.

Устройство электрохимического обеззараживания природных вод содержит трубчатый корпус 1, на концах которого выполнены резьбовые сгоны 2 и 3 для присоединения гидромагистрали и запорно-регулирующего устройства. Гидромагистраль и запорно-регулирующее устройство применяются по своему прямому назначению, являются типовыми, поэтому на чертежах не показаны. В стенке трубчатого корпуса 1 выполнены две пары отверстий с электроизолирующими пробками 4 с проводниковыми выводами 5, соединенные попарно вдоль образующей корпуса 1 шинами 6 с клеммами 7. К выводам 5 внутри корпуса 1 крепится, например, сваркой индуктор 8 спиральной конструкции из пластинчатого проводника в виде спирали вокруг оси по средней линии в плоскости пластинчатого проводника, углы которого приварены к выводам 5 через пробки 4. Данная конструкция обмотки индуктора 8 обеспечивает согласное направление магнитного поля во всех зазорах между спиральными витками обмотки индуктора 8. По аналогии с известными в электротехнике цилиндрическими бифилярными обмотками можно такие обмотки из пластинчатого проводника назвать спиральными пластинчатыми бифилярными обмотками, которые пока нигде в электротехнике не применялись, не выполнялись, не были теоретически известны, так как нигде в электротехнической литературе не упоминаются и не описаны.

Материалом трубчатого корпуса 1 заявленного устройства выбирается сталь, пассивированная к слабым щелочам и кислотам. Материалом электроизолирующих пробок 4 выбирается высокопрочный полимер, например, фторопласт и т.п. или прочные сорта керамики, например, фарфор и др. Материалом пластинчатого проводника спирального индуктора 8 бифилярной конструкции выбирается сплав, стойкий к слабым щелочам и кислотам, например, на основе меди и никеля.

Габаритные размеры корпуса 1, индуктора 8, количество спиральных витков и сечение пластинчатого проводника индуктора 8 ничем не ограничены и определяются конкретными условиями эксплуатации, заданной производительностью устройства и мощностью источника электропитания.

Источник переменного тока, коммутационная аппаратура и соединительные провода для заявленного устройства применяются по своему прямому назначению, являются типовыми, поэтому на чертежах не указаны и в тексте заявки не описаны.

Предлагаемое устройство электрохимического обеззараживания природных вод работает следующим образом: к корпусу 1 с помощью резьбовых сгонов 2 и 3 присоединяют подводящий водопровод (не показан) и запорно-регулирующее устройство (не показано) на выходе обеззараженной природной воды. С помощью типовых соединительных проводов и типовой коммутационной аппаратуры (не показаны) клеммы 7 присоединяют к источнику однофазного переменного тока (не показан).

Перед потреблением по назначению обеззараженной природной воды с помощью коммутационной аппаратуры включается переменное электрическое напряжение от источника электропитания, и по спиральным виткам индуктора 8 протекает переменный электрический ток, который создает в зазорах между спиральными витками индуктора 8 переменное магнитное поле. Так как спиральная обмотка из пластинчатого проводника выполнена бифилярной, то есть спиральные витки обмотки индуктора 8 выполнены образованием спиральных витков вокруг оси по средней линии в плоскости пластинчатого проводника индуктора 8, то во всех зазорах между спиральными витками индуктора 8 магнитное поле от смежных витков направлено согласно, усиливая друг друга до удвоенного значения по отношению к величине магнитного поля от одного витка. Кроме того, так как зазоры между спиральными витками обмотки индуктора 8 выполняются малыми (порядка нескольких мм и менее), то величина эдс электромагнитной индукции в водной среде между спиральными витками обмотки индуктора 8 достигает высоких значений, что приводит к образованию интенсивного электролиза воды по всей массе воды в зазорах между спиральными витками обмотки индуктора 8. Так как в результате электролиза воды в зазорах между спиральными витками обмотки индуктора 8 образуются ионы водорода и гидроксидной группы, которые являются агрессивными реагентами для всех органических веществ, в том числе и для микроорганизмов, содержащихся в природной воде, то все микроорганизмы, находящиеся в воде между спиральными витками индуктора 8, погибают. После выхода обработанной воды из зазоров между спиральными витками обмотки индуктора 8, то есть из области действия переменного магнитного поля, ионы водорода и гидроксидной группы рекомбинируют в нейтральные молекулы воды, благодаря чему прекращается высокая химическая активность водной среды, а на выходе из запорно-регулирующего устройства образуется нейтральная обеззараженная вода. При открывании запорно-регулирующего устройства из него вытекает обеззараженная нейтральная вода, которую потребляют по назначению в любых заданных объемах, определяемых производительностью заявленного устройства. Производительность заявленных способа и устройства электрохимического обеззараживания природных вод определяется габаритными размерами корпуса 1 и индуктора 8, количеством спиральных витков индуктора 8, сечением пластинчатого проводника спиральной обмотки индуктора 8 и мощностью источника электропитания, которые выбираются по конкретными условиям эксплуатации. Например, индуктор 8 из посеребренной медной пластины размерами 1 мм ×20 мм ×200 мм, свернутой в бифилярную спираль вокруг средней линии по описанному внешним диаметром спирали порядка 20 мм, размещенный в водопроводной трубе с внутренним диаметром 22 мм непосредственно перед водопроводным краном позволяет при силе тока по индуктору в 1 ампер с помощью типового ЛАТР, а от сети переменного тока промышленной частоты 50 Гц получать полностью обеззараженную воду от известных микроорганизмов производительностью 1 литр в минуту, что невозможно по прототипу или другими аналогами с приведенными массовогабаритными показателями. При этом в обработанной по заявленному способу воде не содержится никаких новых соединений.

Количество устройств по описанному, соединенных между собой параллельно или последовательно, многоступенчатой обработки по описанному ничем не ограничивается и определяется конкретными условиями эксплуатации.

Устройство для электрохимического обеззараживания природных вод, содержащее проводник, соединенный с источником переменного тока, отличающееся тем, что проводник выполнен в виде бифилярного спирального индуктора, свернутого из пластины, с осью, расположенной по средней линии плоскости пластины, а концы проводника соединены электрически с источником однофазного переменного тока.